光纤光栅传感技术发展综述
Optoelectronics 光电子, 2018, 8(3), 98-105
Published Online September 2018 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/oe https://doi.org/10.12677/oe.2018.83014
文章引用: 蒋善超. 光纤光栅传感技术发展综述[J]. 光电子, 2018, 8(3): 98-105.
DOI: 10.12677/oe.2018.83014
Development in Fiber Bragg Grating
Sensing Technology
Shanchao Jiang
School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu
Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018
Abstract In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology.
Keywords
FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology
光纤光栅传感技术发展综述
蒋善超
盐城工学院电气工程学院，江苏 盐城
收稿日期：2018年8月21日；录用日期：2018年9月6日；发布日期：2018年9月13日
摘 要
为促进光纤光栅传感技术的发展，本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、
位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状，为推动光纤光栅传感技术进
一步的多样化、实用化提供基础支持。
关键词
光纤光栅，光谱分析，检测元件，复用技术
蒋善超
DOI: 10.12677/oe.2018.83014 99 光电子
Copyright © 2018 by author and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 引言
光纤光栅传感技术因其本身防电磁扰动、抗腐蚀、测量精确、复用能力强、便于组网等特性备受关
注。短短几十年时间，光纤光栅传感技术已经成为发展最为迅猛的监测技术手段，且在航空航天、土木
工程、风力发电、石油化工、复合材料、食品检测等行业取得了广泛的应用。随着光纤光栅传感技术的
发展，其可实现参数测量种类、数量愈来愈多。本文针对光纤光栅传感技术在光谱分析、传感参数(如应
变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的研究现状进行总结，为光纤光栅传
感技术进一步发展提供基础数据支持。
2. 光纤光栅光谱特性研究现状
目前，光栅光谱特性研究方法主要可分成如下两个阶段：理论仿真计算分析及试验测试。1973年及
1976年，A. Yariv和H. Kogelnik分别采用耦合模理论及数值分析方法分析了均匀光纤光栅与非均匀的光
纤光栅的光谱特性，其中理论数值分析方法存在计算量大、所需计算时间长的缺点[1] [2]；1995年，F.
Bilodeau等人通过实验对比分析了光纤光栅的理论及试验光纤光栅光谱数据[3]；1997年，T. Erdogan等
人通过数值计算与仿真对比详细分析了本征参数变化对均匀光纤光栅及非均匀光纤光栅反射及透射光谱
特性变化的影响[4]；2001，张东生等人通过改变影响光栅谐振波长与波长的参数对光纤光栅光谱形状控
制方法进行了相关研究，这对于光栅的多样化刻蚀起到一定的指导作用[5]；同年，杜戈等人以光纤光栅
反射光谱作为研究对象，对比分析了FC与APC接头对光纤光栅光谱的影响，数据分析结果显示：APC
接头实现光纤耦合对光纤光栅反射光谱的影响，添加一定量的折射率匹配溶液可以有效的消减端面的反
射光对光谱的影响，在实际工程应用中可以作为一种较好连接方式[6]；2008年，姚海凤等人基于光纤光
栅耦合模理论及传输矩阵理论研究了光纤耦合器对串联及并联光纤光栅串反射光谱的影响，得并联光纤
光栅受光纤耦合器的影响较为明显[7]；2009年，贺园等人以耦合模理论作为基础理论仿真绘制各异参数
下光纤光栅的反射光谱，进而分析并获得光栅光谱反射率、带宽与光栅栅区长度、栅格周期、折射率微
扰之间的最佳组合，可以以此为理论依据制作优良的光纤光栅[8]。2014年，李晓丽等人基于薛定谔方程
及一维热稳态方程分析了强光作用下非线性效应及光热效应对光纤布拉格光栅光谱变化情况的影响[9]。
上述光纤光谱特性的研究对于光栅多样化刻蚀、器件研发及其实际使用起到了较大的促进作用。
为便于实现光纤光栅检测元器件的研制与优化，研究学者对轴向、径向及应力作用下的光纤光栅光
谱特性进行了相关的研究。1989年，Morey等人研究并证实光纤光栅的应变及温度检测性能[10]。2000
年，R. Gasfi等人研究了光纤光栅径向负载对于光纤的有效折射率的变化影响，结果显示光纤布拉格光栅
反射光谱在径向负载作用下其光谱发生分裂[11]；2002年，Federco Bosia等人对光纤光栅在径向负载作
用下光谱变化开展了试验验证研究，数据线束径向负载作用下光纤布拉格光栅反射光谱发生变形[12]；
2004年，Jingxi Zhao通过试验的方式分析了光纤布拉格光栅径向力作用下的双折射现象[13]；2007年，
滕峰成在其博士论文中较为详细的研究了轴向均匀应力与非均匀(栅区线性)应力及横向(即径向)均匀应
力与非均匀应力(栅区线性)对光纤光栅反射光谱的影响，构建了被测量与因变量之间的对应关系[14]；
2009年，陈哲敏分析了轴向非均匀(非线性)应力对光纤光栅反射光谱的影响并针对光纤光栅实现动态应
力测量的解调方式，如边缘滤波、DWDM滤波器等进行了研究[15]；2014年，王正方在光纤光栅应变模蒋善超
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型的基础上研究了非均匀光纤光栅(啁啾光纤光栅、相移光纤光栅)轴向及径向应力作用下其反射光谱的变
化特性[16]；同年，王静等人较为详细的研究了动态应力(传播速度、幅值等)对啁啾光纤光栅反射光谱的
影响并通过构建试验平台进行了验证[17]。
3. 光纤光栅传感器发展现状
自光纤光栅温度应变特性于1989年被研究验证以来，由于其本身特性，如本质安全、检测精度高、
抗电磁干扰、传输距离远等，光纤光栅检测元件的开发利用已拓展到应变、位移、压力、流速、锚索锚
杆、倾斜等方面的应用。
3.1. 应变检测
自M. A. Davis与Libo Yuan等人分别于1997年[18]及2001年[19]实现结构件内部应变的测量开始，
随着光纤光栅应变检测元件的发展，为满足更高精度、实用性等要求，其封装方式得到丰富的发展，主
要有材料(复合材料、金属等)基体封装、环氧树脂表面粘接等方式。2005年，P. Moyo等人以复合材料碳
纤维板作为基体材料实现光纤光栅应变传感单元的复合材料基体封装[20]；2008年，黄广龙等人应用光
纤光栅与金属封装实现了深基坑钢筋应变的测量，给出其轴力的合理性[21]；2013年，马收等人研究光
纤光栅表贴式传感器粘接剂的表面应变传递效率，试验结果证实在保证粘接质量的前提下，应用环氧树
脂粘接可以获得较好的应变及温度响应特性[22]；2015年，Shanchao Jiang等人应用不同结构参数的椭圆
环增敏方式实现了光纤光栅共原点的三维应变测量并应用有限元仿真分析软件实现了传感单元的优化设
计[23]；同年，王达达等人为满足传感器与光缆连接需求，利用自锁紧螺帽、不锈钢管、法兰盘及光纤光
栅等原件研制了一种自锁紧式光纤光栅应变传感器[24]。
3.2. 位移检测
1998年，Lih-Wuu Chang等人应用光纤光栅双波长干涉原理实现位移的测量[25]；1999年，关柏鸥
等人应用等截面悬臂梁开发了新型具有测量量程大(大于200 mm)、线性度高的光纤光栅位移传感器[26]；
2003年，李伟刚等人通过改进悬臂梁的结构提出了一种可以实现双向位移检测的光纤光栅位移传感器
[27]；2007年，李丽在其博士论文中为消除温度影响研究了基于等腰悬臂梁结构的微位移光纤光栅传感
器[28]；2010年，何俊等人通过将光纤光栅粘接于等强度悬臂梁上下两个表面研制适用于工程应用的、
具有自温补特性的光纤光栅位移传感器[29]；2012年，丁腾蛟通过悬臂梁、弹簧等实现外界被测量对光
纤光栅波长的调制，提出了测量量程为0~1000 mm的大量程光纤光栅位移传感器[30]；2013年，蒋善超
等人通过弹簧、不锈钢管等研制适用于地质工程模型试验的微型光纤光栅位移传感器[31]；同年，张艳晓
为解决因光纤光栅直接粘接于悬臂梁表面可能导致的波长展宽问题，研制了基于环形结构的光纤光栅位
移传感器[32]；2015年，Shanchao Jiang等人基于螺旋锥试件提出变测量精度、大量程范围的光纤光栅位
移传感器[33]。
3.3. 压力检测
1996年，M. G. Xu等人通过空心的玻璃球实现了光纤光栅压力敏感系数增敏[34]；1998年，郑云启
等人使用弹簧管对光纤光栅压力敏感系数进行增敏处理，研制了弹簧管式光纤光栅压力传感器[35]；2002
年，张颖等人应用聚合物及金属罐体对光纤裸光栅进行封装提出了高精度的光纤光栅压力传感单元并对
其压力测试性能进行了相关的研究[36]；2005年，曹晔等人应用轮辐结构将光纤光栅垂直于轮辐结构的
正反面提出了温度不灵敏的光纤光栅压力传感器[37]；2008年，张文涛等人应用杠杆结构转变金属膜片
光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术
光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术
电子传感器数十年来一直作为测量物理与机械现象的标准机制。尽管具有普遍性，却因为种种限制，在许多应用中显得缺乏安全、不切实际或无法使用。基于光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术，利用“光”作为介质取代“电”，使用标准光纤替代铜线，从而克服种种的挑战：由于光纤不导电且电气无源的良好特性，可以消除由电磁干扰(EMI)引起的噪声影响，并且能在少量损耗乃至不损耗信号完整性的前提下远距离传输数据。此外，多个FBG传感器可沿一根光纤通过菊花链(daisy chain)方式连接，极大减少了测量系统的尺寸、重量和复杂性。
1. FBG 光学传感器基础
1.1概述
近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。
在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑结构健康监测应用等。
1.2光纤传感器简介
从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。非固有型 (混合型) 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。
光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯(core)，包层(cladding)和保护层(buffer
光纤光栅传感器原理及应用毕业论文
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Iword格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。 摘要
光纤光栅作为近几十年来快速发展起来的新型光电子无源器件，在光纤通信和光纤传感领域得到广泛应用。由于它具有体积小、灵活、无源、波长选择性好、
带宽范围大、附加损耗小、极化不敏感、不受非线性效应影响、易与光纤系统连
接以及偏振相关小等诸多优点，
是一种应用前景非常广的光电子无源器件。本论文对光纤光栅的发展、基本原理进行了详细介绍。列举了几种光纤光栅的理论分析方法，并对耦合模理论和传输矩阵法进行了深入探讨。还对光纤光栅的各种制作方法进行了比较，总结出它们的优缺点。最后列举了一些光纤光栅的应用。
关键词：非均匀光纤光栅;耦合模理论;传输矩阵法;逐点写入法;光纤光栅传感器
ABSTRACT
The fiber grating is a kind of new optoelectronic of passive components,
which was quickly developed and widely applied in the areas of optical fiber
communication and optical fiber sensing in recent decades. Optical fiber grating has
many unique features, such as little size, light weight, flexible, passive, wavelength
selective, wide bandwidth, small dissipation, polarization insensitive, unaffected by
nonlinear effect and easy to connect with fiber optic system etc., which is one kind of
光纤传感器的今日发展概况
光纤传感器的今日的发展概况
一、引言
随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。
当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。
FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。
2024年分布式光纤传感器市场发展现状
2024年分布式光纤传感器市场发展现状
概述
分布式光纤传感器是一种基于光学原理的传感器，可在单根光纤上实时测量温度、压力、应变等物理参数的变化。随着技术的不断进步，分布式光纤传感器在工业、军事、能源领域等广泛应用，并在市场上取得了良好的发展。本文将介绍分布式光纤传感器市场的发展现状。
市场规模
目前，全球分布式光纤传感器市场规模持续扩大。根据市场研究报告显示，预计到2025年，分布式光纤传感器市场规模将达到XX亿美元，年复合增长率为XX%。其中，能源领域是分布式光纤传感器市场的主要驱动力，占据市场份额的40%以上。
应用领域
分布式光纤传感器的应用领域广泛。在工业领域，分布式光纤传感器可以应用于管道、油井、桥梁等结构的监测与检测，实时监测温度、应变等变化情况，确保安全可靠。在军事领域，分布式光纤传感器可用于军事基础设施的监测、边界安全、侦察等方面，提供实时的数据支持。此外，分布式光纤传感器还可以应用于交通运输、环境监测、医疗健康等领域。 技术趋势
分布式光纤传感器的发展离不开技术的持续创新。目前，光学通信技术、光纤传感器技术的进步为分布式光纤传感器提供了更好的发展机遇。例如，光纤布拉格光栅传感器、光纤雷曼散射传感器等技术的不断改进，使得分布式光纤传感器的精度和可靠性得到显著提高。此外，随着人工智能和大数据分析等技术的发展，分布式光纤传感器的数据处理和应用能力也将进一步增强。
发展挑战
尽管分布式光纤传感器目前在市场上取得了一定的发展，但仍面临一些挑战。首先，分布式光纤传感器的成本较高，限制了其广泛应用。其次，传感器的精度和可靠性还需要进一步提升，以满足不同行业的需求。此外，分布式光纤传感器的标准化和规范化工作也还有待完善，以促进市场的健康发展。
市场竞争格局
当前，全球分布式光纤传感器市场竞争激烈。市场上主要存在着一些大型跨国公司，如公司A、公司B等。这些公司拥有先进的技术和研发能力，在市场上占据着一定的份额。此外，还有一些中小型企业通过技术创新和市场定位，逐渐崭露头角，成为市场竞争的一股新力量。
2024年光纤传感器市场前景分析
2024年光纤传感器市场前景分析
引言
光纤传感器是一种基于光纤技术的传感器，广泛应用于各个领域，如工业自动化、医疗、环境监测等。它具有高灵敏度、抗干扰性强等特点，在市场上有着广阔的前景。本文将分析光纤传感器市场的现状，并展望未来的发展趋势。
光纤传感器市场现状
目前，光纤传感器市场呈现出快速增长的态势。光纤传感器在工业自动化领域的应用得到了广泛认可，其能够实时监测温度、压力、流量等参数，为生产过程提供重要的数据支持。此外，光纤传感器在医疗领域也有着许多应用，例如血糖监测、心率监测等。随着人们健康意识的增强以及医疗技术的不断进步，光纤传感器在医疗领域的应用前景更加广阔。
另外，光纤传感器在环境监测领域也有着巨大的潜力。随着环境污染问题日益突出，对于环境参数的监测需求越来越高。光纤传感器能够实时监测温度、湿度、气体浓度等环境参数，并提供高精度的数据分析，为环境保护提供有力支持。
综上所述，光纤传感器市场当前正处于快速增长的阶段，其在工业自动化、医疗、环境监测等领域的应用前景广泛。 光纤传感器市场发展趋势
1. 技术进步：随着科技的不断进步，光纤传感器的技术也在不断创新。新材料的应用、制造工艺的改进等技术创新使得光纤传感器具备更高的精度和更强的抗干扰能力，从而满足不同领域对于传感器的高要求。
2. 多元化应用：光纤传感器在不同领域有着广泛的应用前景。未来，随着人们对于安全、节能环保、健康等问题的重视，光纤传感器将应用于更多的场景，如智能家居、智能交通等，为人们创造更舒适、安全、健康的生活环境。
3. 市场扩大：光纤传感器市场将逐渐扩大，涉及更多的领域和行业。随着人们对于科技产品的需求增加，光纤传感器作为一种重要的高技术产品，其市场潜力广阔。预计未来几年内，光纤传感器市场规模将进一步扩大。
4. 降低成本：随着光纤传感器技术的不断进步以及市场竞争的加剧，光纤传感器的成本将逐渐降低。成本的降低将带动传感器的普及，使得更多的行业和领域能够享受到光纤传感器的益处。
光纤传感技术研究论文
光纤传感技术研究论文
光纤传感技术研究论文范文
【论文关键词】：光纤传感器；光纤光栅；光纤传感技术；光纤通信
【论文摘要】：介绍了光纤传感器的基本构成及原理，综述了近年来光纤传感器技术的应用和发展，对光纤传感技术的研究发展方向进行了展望。
1.光纤传感器的基本构成和组成原理
光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成，光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用，光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤；按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播，具有感测和传输的双重功能，是一种非常重要的智能材料。
2.光纤传感器的类型及特点
光纤传感器的类型很多，按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。
传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点，使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此，这一类光纤传感器又分为光强调制型，偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。
传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件。
3.光纤传感器的应用 光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用:
光纤传感在航空航天中的应用现状与发展前景
光纤传感在航空航天中的应用现状与发展前景
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----宋停云与您分享---- 光纤传感在航空航天中的应用现状与发展前景
光纤传感技术是一种利用光纤作为传感元件的测量技术。在航空航天领域，光纤传感技术具有广泛的应用前景，并且在航空航天领域中已经取得了一些重要的突破。
首先，光纤传感技术在航空航天中的应用主要集中在结构健康监测方面。通过将光纤传感元件嵌入到航空器的结构中，可以实时监测结构的变形、振动等情况，从而及时发现潜在的结构破坏风险，并采取相应的修复措施。光纤传感技术可以提供高精度的测量结果，并且对温度、压力等环境因素具有较好的适应性，使得它在航空航天领域中的结构健康监测方面有着广阔的应用前景。
其次，光纤传感技术还可以应用于发动机的燃烧过程监测。光纤传感元件可以被安装在发动机的关键部位，通过监测燃烧过程中的温度、压力等参数的变化，可以了解发动机的运行状态，并及时发现异常情况。这对于确保发动机的安全运行至关重要，因此光纤传感技术在航空航天领域中的发动机监测方面具有巨大的应用潜力。
----宋停云与您分享----
----宋停云与您分享---- 此外，光纤传感技术还可以应用于航空航天中的导航和定位系统。通过将光纤传感元件布置在航空器的导航和定位系统中，可以实时监测航空器的位置、速度等参数，从而提供准确的导航和定位信息。光纤传感技术具有高灵敏度和高精度的特点，可以满足航空航天中对导航和定位信息的要求，因此在航空航天领域中的导航和定位系统中有着广泛的应用前景。
总之，光纤传感技术在航空航天领域中具有广泛的应用前景。随着技术的不断进步和创新，光纤传感技术在航空航天领域中的应用将会越来越广泛。我们可以期待，在未来的航空航天发展中，光纤传感技术将会发挥更加重要的作用，为航空航天领域的安全和发展做出更大的贡献。
光纤传感技术概述
光纤传感技术概述
摘要：光纤传感技术是一种比较先进的测试技术，但其在岩土工程上的应用出于起步阶段，本文分析了光纤传感技术的特点及其原理，并针对其在岩土工程上的应用范围，并针对岩土工程中的应用提出了注意事项。并对光纤传感技术的发展应用进行展望。
关键词：光纤传感技术、岩土工程测试、传感器
1 研究背景
光纤传感技术始于20世纪70年代，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。从杭州物联网暨传感技术应用论坛了解到，光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。
美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家,在军事和民用领域的应用方面进展都十分迅速。1979年,美国国家航空航天局(NASA)首创机敏蒙皮研究,将光纤传感器埋人复合材料结构进行状态监测;1989年,美国Brownuniversity的A.Mendez等人首先提出了把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中,并描述了这一研究领域在工程应用中的一些基本设想;加拿大的Rotest公司将白光法布里一拍罗光纤传感器用于桥梁结构中的的应力、应变监测,用于评价结构损伤程度、裂缝的发生与发展等,取得较好的测试结果。此外,包括瑞士联邦工学院、美国伊利诺斯州芝加哥大学、加拿大握太华大学、日本N竹公司等国外知名科研机构和公司在光纤传感监测系统的研发和应用方面取得了一系列研究成果[1]。
国内方面,重庆大学智能结构研究中心于1992年率先开始进行光纤传感技术在结构工程中的研究,黄尚廉院士领导的课题组对工程结构健康监测领域的几种光纤传感技术进行了深人的理论和实验研究,取得了显著成果;哈尔滨工业大学欧进萍院士领导的课题组对光纤光栅传感技术进行了卓有成效的研究与应用工作,针对光纤光栅传感器封装和光纤光栅传感技术在桥梁结构健康监测中的应用进行了较深入细致的研究;香港理工大学研发了各种类型温度和应变同时监测的光纤光栅传感器和光纤光栅温度传感器,并将其应用于桥梁健康监测;四川大学的刘浩吾等对分布式光纤传感技术在大坝、桥梁裂缝和边坡变形等监测中的应用进行了大量的试验和应用研究;三峡大学蔡德所等进行了混凝土面板堆石坝的面板裂缝、渗漏和温度场的分布式光纤传感技术监测[2]。
法布里-珀罗光纤传感综合报告
法布里-珀罗光纤传感综合报告
一、 基本概念及工作原理
光纤传感技术主要涉及不同类型光纤传感器的开发和应用。在目前已经开发出的各种类型光纤传感器中应用比较广泛的有光纤布拉格光栅 (Fiber Bragg
Grating，FBG)、长周期光纤光栅 (Long Period Fiber Grating，LPFG)和几种基于干涉原理的传感器，包括马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer，MI)和法布里-珀罗干涉仪(Fabry-PerotInterferometer，FPI)等。其中光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高、耐高温和抗电磁干扰等优点，广泛应用于航空航天、能源工业及环境监测等领域。
1.1法布里-珀罗传感器原理
光纤FPI传感器是基于多光束干涉原理，其中多光束干涉是指一组相互平行并且任意两束光之间光程差都相同且频率相同的光束相干叠加。典型的FPI通常由两个平行的反射面构成，如图1所示，当一束光以倾角θ，入射到厚度为L的平行玻璃板时，光会发生多次反射，从而形成多光束干涉。
图1 多束光干涉原理图
并且无论是反射光还是透射光，任意两束相邻光束之间的相位差δ 可都是相同的。相位差δ 可由公式(1) 计算：
𝛿=4𝜋𝜆0𝑛𝐿cos𝜃𝑡 （1） 在公式(1)中，λ0为光的波长，n为玻璃板的折射率，θt为射入玻璃板光束的折射角，L为玻璃板的厚度。反射面上的光强为：
𝐼r=𝑇2𝑇2+4𝑅sin2𝛿2𝐼0 （2）
其中𝐼0为初始光源。透射面上的光强为：
𝐼t=𝑇2𝑇2+4𝑅sin2𝛿2𝐼0 （3）
其中T 是玻璃板单面的透射率，R 是玻璃板单面的反射率。从公式(1) 可知，任意两个相邻光束的相位差δ 由入射光的波长λ0，玻璃板的折射率n，玻璃板的厚度L 和进入玻璃板光束的折射角θt 共同决定。
光纤光栅传感器
一、传感器背景及应用
1.1传感器的背景 传感器是高度自动化系统, 亦是现代尖端技术关键的组成部分, 因此, 传感
器技术是当代高新技术着重发展的领域, 是各个国家科技进步的核心之一。
传感器是指能感受规定的被测信号 (非电量) 并按照一定的规律 (多指数学
规律) 转换成可用信号 (电量) 的器件或装置，通常由敏感元件和转换电路组成。
作为模拟人体感觉的“电五官”, 传感器的出现, 使物体存在了触觉、味觉和嗅觉等感官, 让难以测量的信号变得更易检测。
传感器是借助于敏感元件,将感受的信息按一定的规律转换成另一种信息的
装置。在一般情况下,是将信息转换成电量,以便进一步传输、显示。研究、开发
和制造传感器的技术涉及到许多学科,是一门跨学科的边缘科学技术。随着现代
测量、控制和自动化技术的发展,传感器技术己越来越为人们所重视,它是人类社会跨入信息时代的物质基础。
信息的采集和处理是信息社会的支柱之一,信息的处理依赖于计算机技术,而
信息的采集则依赖于传感器。在国外,随着生产自动化和实时控制的发展,为了更
好地发挥计算机的效能,各国都已开始重视传感器技术的研究和开发。前一时期,
传感器技术没有跟上计算机技术的发展,信息的获得远远落后于信启、的处理,反过来又阻碍了计算机的应用和电子工业的发展。因此近年来各国已把传感器技术
摆到了重要的地位。如美国空军200。年报告中将传感器列为提高二十一世纪空
军能力的十五项关键技术之一;在日本更认为“唯有模仿人脑的计算机与传感器
的协调发展,才能决定技术的将来。当务之急,是全力发展传感电子设备。”
总之,传感器技术在国民经济各部门、科学研究、国防建设、日常生活等各方面的应用十分广泛,从而形成了一个大的新型科学技术领域,随着科学技术的进
一步发展,传感器技术的研究、开发还将日益扩大和深入,因此被视为80年代的关
键技术而受到国内外的广泛瞩目是理所当然的。
1.2传感器在海洋中的应用 海洋蕴藏着丰富的资源，影响着全球气候变化，海洋科学在海洋环境保护、